Design and Development of Modular Limbs for Reconfigurable Robots on the Moon

📄 arXiv: 2601.04541v1 📥 PDF

作者: Gustavo H. Diaz, A. Sejal Jain, Matteo Brugnera, Elian Neppel, Shreya Santra, Kentaro Uno, Kazuya Yoshida

分类: cs.RO

发布日期: 2026-01-08

备注: Author's version of a manuscript accepted at the International Conference on Space Robotics 2025 (iSpaRo 2025). (c) IEEE

💡 一句话要点

为月球可重构机器人设计模块化四自由度肢体Moonbots

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模块化机器人 可重构机器人 空间探索 月球机器人 机器人肢体 四自由度 通用执行器

📋 核心要点

  1. 现有空间探索机器人灵活性不足，难以适应月球复杂环境和多样任务需求。
  2. 提出一种模块化机器人肢体Moonbots，通过不同模块的重构实现功能多样性。
  3. 实验验证了Moonbots在不同负载下的控制性能，并展示了九种不同配置的适应性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了四自由度机器人肢体Moonbots的开发，该肢体设计用于以各种配置相互连接以及与轮式模块连接，从而适应不同的环境和任务。这些模块化组件主要用于我们的Moonshot项目中，用于月球上的空间探索和建造。这种模块化机器人为资源受限的太空任务增加了灵活性和通用性。每个模块由具有高扭矩-速度比的通用执行器驱动，在需要时支持精确控制和动态运动。这种统一的执行器设计简化了不同模块类型的开发和维护。本文描述了硬件实现、模块的机械设计以及用于控制和协调它们的整体软件架构。此外，我们评估了执行器在各种负载条件下的控制性能，以表征其对模块化机器人应用的适用性。为了展示系统的适应性，我们介绍了由同一组模块组装的九种功能配置：4DOF-limb、8DOF-limb、vehicle、dragon、minimal、quadruped、cargo、cargo-minimal和bike。这些配置反映了不同的运动策略和特定于任务的行为，为可重构机器人系统的进一步研究提供了实践基础。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决空间探索任务中机器人适应性和通用性不足的问题。传统机器人通常为特定任务设计，难以应对月球表面的复杂地形和多变的任务需求。现有方法缺乏灵活性，无法在资源有限的条件下高效完成任务。

核心思路：论文的核心思路是采用模块化设计，开发一种可重构的机器人系统。通过将机器人分解为多个功能模块（如肢体和轮子），并允许这些模块以不同的方式连接和组合，从而实现机器人功能的动态调整和任务的快速适应。这种设计旨在提高机器人在空间探索中的灵活性和效率。

技术框架：该系统的整体架构包括以下几个主要部分：1) 模块化肢体（Moonbots）：每个肢体具有四个自由度，由统一的执行器驱动。2) 轮式模块：用于实现移动功能。3) 连接机构：允许模块之间快速、可靠地连接和断开。4) 控制系统：负责协调各个模块的运动，实现整体的机器人行为。软件架构采用模块化设计，便于扩展和维护。

关键创新：该论文的关键创新在于模块化肢体的设计和通用执行器的应用。模块化肢体允许机器人根据任务需求进行重构，而通用执行器则简化了不同模块的开发和维护。此外，论文还提出了一种软件架构，能够有效地控制和协调各个模块的运动。

关键设计：每个Moonbot肢体采用四个旋转关节，实现四自由度运动。所有关节均使用相同的执行器，该执行器具有高扭矩-速度比，能够支持精确控制和动态运动。连接机构采用快速释放机制，允许模块之间快速连接和断开。控制系统采用分层结构，包括底层执行器控制、中间层运动规划和高层任务管理。

📊 实验亮点

实验结果表明，Moonbots肢体在不同负载条件下具有良好的控制性能，能够实现精确的运动控制。通过将Moonbots肢体与轮式模块组合，可以构建多种功能配置的机器人，如四足机器人、车辆、货物运输平台等。论文展示了九种不同的机器人配置，验证了该模块化系统的灵活性和适应性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于月球及其他星球表面的空间探索和建造任务。模块化机器人能够适应复杂地形，执行资源勘探、基础设施建设、科学实验等任务。此外，该技术还可应用于灾后救援、危险环境作业等领域，提高机器人的适应性和任务执行能力。

📄 摘要（原文）

In this paper, we present the development of 4-DOF robot limbs, which we call Moonbots, designed to connect in various configurations with each other and wheel modules, enabling adaptation to different environments and tasks. These modular components are intended primarily for robotic systems in space exploration and construction on the Moon in our Moonshot project. Such modular robots add flexibility and versatility for space missions where resources are constrained. Each module is driven by a common actuator characterized by a high torque-to-speed ratio, supporting both precise control and dynamic motion when required. This unified actuator design simplifies development and maintenance across the different module types. The paper describes the hardware implementation, the mechanical design of the modules, and the overall software architecture used to control and coordinate them. Additionally, we evaluate the control performance of the actuator under various load conditions to characterize its suitability for modular robot applications. To demonstrate the adaptability of the system, we introduce nine functional configurations assembled from the same set of modules: 4DOF-limb, 8DOF-limb, vehicle, dragon, minimal, quadruped, cargo, cargo-minimal, and bike. These configurations reflect different locomotion strategies and task-specific behaviors, offering a practical foundation for further research in reconfigurable robotic systems.